基于雙激光傳感器的地鐵車(chē)輛輪徑測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

摘 要：輪對(duì)作為地鐵車(chē)輛的關(guān)鍵走行部位，在車(chē)輛行駛中發(fā)揮了重要作用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛輪對(duì)的輪徑異常值并進(jìn)行鏇修，可以保證列車(chē)平穩(wěn)地運(yùn)行。本文以某地鐵為研究對(duì)象，研究該地鐵輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中直徑測(cè)量模塊的工作原理，分析輪徑測(cè)量存在誤差的原因，提出雙激光位移傳感器+渦流傳感器的工作模式，將測(cè)量數(shù)據(jù)與不落輪鏇床測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，該方法可以有效提高輪對(duì)直徑的測(cè)量精度，對(duì)未來(lái)基于雙激光傳感器的地鐵車(chē)輛輪徑測(cè)量模塊設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)；直徑測(cè)量模塊；雙激光位移傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：U 231" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工測(cè)量，大幅提升了地鐵輪對(duì)的檢測(cè)效率[1]。其可以對(duì)地鐵車(chē)輛的輪對(duì)直徑、輪緣尺寸和QR值等進(jìn)行不停車(chē)檢測(cè)，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。隨著地鐵車(chē)輛運(yùn)行里程積累以及鏇修次數(shù)增加，踏面逐漸磨耗，車(chē)輪直徑逐漸變小，因此須加大對(duì)其研究力度[2]。本文以某地鐵1號(hào)線為例，重點(diǎn)研究了輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中輪徑測(cè)量模塊，提出基于雙激光位移傳感器+渦流傳感器的車(chē)輪直徑測(cè)量模式，降低了輪徑值測(cè)量誤差。

1 某地鐵輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)使用現(xiàn)狀

輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要是由輪對(duì)尺寸檢測(cè)單元、設(shè)備機(jī)房間和微機(jī)室等組成的。輪對(duì)尺寸檢測(cè)單元主要包括觸發(fā)磁鋼裝置、直徑測(cè)量系統(tǒng)、踏面擦傷（不圓度）檢測(cè)系統(tǒng)以及車(chē)輪內(nèi)側(cè)距等。設(shè)備機(jī)房間的作用是實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)[3]；微機(jī)控制室位于車(chē)輛段調(diào)度控制中心（Depot Control Center，DCC），可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)報(bào)警、查看、導(dǎo)出以及拷貝等功能。輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)通常配置在段場(chǎng)的入段線中[4]。

根據(jù)某地鐵實(shí)際使用情況，其平均每日檢測(cè)約10列車(chē)輛，在輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)中，輪徑值報(bào)警復(fù)核準(zhǔn)確率為75%，為檢修提供重要參考依據(jù)，但是存在較多誤報(bào)情況[5]。

例如，某地鐵0119列車(chē)6車(chē)1架2軸的報(bào)警信息連續(xù)9 d次輪徑值顯示均為846 mm，現(xiàn)場(chǎng)人工復(fù)核后為839 mm，誤差達(dá)到+7 mm，遠(yuǎn)超過(guò)輪對(duì)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)車(chē)輪直徑測(cè)量精度值±0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)；0123列車(chē)4車(chē)2架3軸的報(bào)警信息連續(xù)7 d次輪徑值顯示均為831.5 mm，現(xiàn)場(chǎng)人工復(fù)核后為836 mm，誤差達(dá)到-4.5 mm，也遠(yuǎn)超過(guò)輪對(duì)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)車(chē)輪直徑測(cè)量精度值±0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)。

2 輪徑測(cè)量模塊工作原理以及存在問(wèn)題

2.1 直徑測(cè)量原理

某地鐵1號(hào)線的直徑測(cè)量系統(tǒng)主要是由1個(gè)激光位移傳感器、1個(gè)渦流傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊等組成的（如圖 1 所示）。其中，激光位移傳感器的工作原理是利用激光技術(shù)進(jìn)行非接觸式測(cè)量，傳感器發(fā)射一束激光至被測(cè)物體，利用1個(gè)或多個(gè)接收器捕捉反射回來(lái)的光線。由于反射光線的角度會(huì)隨被測(cè)物體的位移發(fā)生變化，因此，測(cè)量這個(gè)角度的變化可以計(jì)算被測(cè)物體的位移。在這個(gè)過(guò)程中，激光位移傳感器內(nèi)部有1個(gè)受光元件，其能夠感知反射光線的位置，進(jìn)一步確定被測(cè)物體的位置。渦流傳感器是一種非接觸式傳感器，其作用是測(cè)試輪對(duì)表面缺陷、測(cè)量距離和速度等。其原理是交流電信號(hào)利用線圈產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，隨著車(chē)輛駛?cè)?，磁?chǎng)與車(chē)輛輪對(duì)相交，會(huì)在輪對(duì)表面產(chǎn)生渦流，并產(chǎn)生反饋信號(hào)，其與交流信號(hào)進(jìn)行比較，對(duì)輪對(duì)輪徑值和表面缺陷等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。在某個(gè)時(shí)刻，輪對(duì)經(jīng)過(guò)渦流傳感器正上方，其輸出值最小，將此時(shí)位移傳感器對(duì)應(yīng)的測(cè)量值l同步傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，利用算法得到被測(cè)輪徑。

2.2 存在問(wèn)題以及原因分析

在實(shí)際工況中，渦流傳感器所處的工作環(huán)境比較嘈雜，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或軌道振動(dòng)均會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度。每個(gè)渦流傳感器分辨率不一致，導(dǎo)致當(dāng)車(chē)輛輪對(duì)行駛至渦流傳感器正上方時(shí)輪對(duì)不能精確定位，造成直徑測(cè)量誤差，渦流傳感器定位誤差如圖2所示。水平方向的定位誤差如公式（1）所示。

R2=（R-?R）2+?L2 " " " " "（1）

式中：R為車(chē)輪半徑；ΔR為渦流傳感器的分辨率；ΔL為水平方向的定位誤差，其計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

3 基于雙激光傳感器的輪徑測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

為充分降低車(chē)輪定位對(duì)測(cè)量造成的影響，在現(xiàn)場(chǎng)增加1組位移傳感器，形成雙激光位移傳感器+渦流傳感器的測(cè)量模式，有效提高輪對(duì)直徑測(cè)量精度。

3.1 雙激光位移傳感器直徑測(cè)量原理

雙激光位移傳感器測(cè)量模式原理如圖3所示，A為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)為（0，0）；C為車(chē)輪與鋼軌切點(diǎn)，其下方安裝渦流傳感器，左右對(duì)稱(chēng)安裝激光位移傳感器一、激光位移傳感器二；車(chē)輪由左向右駛?cè)氡粶y(cè)區(qū)域，當(dāng)被測(cè)輪對(duì)恰好經(jīng)過(guò)C點(diǎn)正上方時(shí)，渦流傳感器的輸出值最小，利用數(shù)據(jù)處理單元接收的位移傳感器的測(cè)量值l1、l2即可計(jì)算被測(cè)輪對(duì)的直徑。

設(shè)B點(diǎn)坐標(biāo)為（l1cosα，l1sinα），C點(diǎn)坐標(biāo)為（L1，0），車(chē)輪圓心的坐標(biāo)為O（L1，R），D點(diǎn)坐標(biāo)為（L1+L2-l2cosα，l2sinβ）。車(chē)輪滾動(dòng)圓方程如公式（3）所示。

（m-L1）2+（n-R）2=R2 " " " " " （3）

式中：m、n為滾動(dòng)圓中的點(diǎn)坐標(biāo)；L1為傳感器一至C點(diǎn)的安裝距離。

將B點(diǎn)、D點(diǎn)坐標(biāo)代入公式（3）得到公式（4）、公式（5）。

（4）

（5）

式中：l1為傳感器一與踏面交點(diǎn)的距離；α為傳感器一激光的照射角；L2為傳感器二至C點(diǎn)的安裝距離；l2為傳感器二與踏面交點(diǎn)的距離；β為傳感器二激光的照射角。

對(duì)公式（4）、公式（5）取平均值，得到被測(cè)直徑D，如公式（6）所示。

（6）

如果L1=L2，那么當(dāng)α=β時(shí)公式（6）可簡(jiǎn)化為公式（7）。

（7）

式中：L為傳感器至 C 點(diǎn)的安裝距離。

3.2 車(chē)輪定位隨機(jī)誤差分析

車(chē)輪行進(jìn)位置如圖4所示，A、E點(diǎn)對(duì)稱(chēng)安裝激光位移傳感器一、二，C點(diǎn)安裝渦流傳感器。假設(shè)當(dāng)被測(cè)輪對(duì)圓心行駛至A點(diǎn)正上方時(shí)為初始位置，l1、l2分別為傳感器一、二的測(cè)量值。

在t時(shí)刻，車(chē)輪的最低點(diǎn)與傳感器一的距離為x，與傳感器二的距離為L(zhǎng)1+L2-x，根據(jù)公式（4）、公式（5）得到公式（8）、公式（9）。

（8）

（9）

式中：x為車(chē)輪的最低點(diǎn)與傳感器一的距離。

設(shè)R=1/2 D=420 mm，α=β=45°，L1=L2=420 mm，測(cè)量值l1、l2以及l(fā)1+l2仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)列車(chē)行駛至被測(cè)區(qū)域時(shí)，傳感器一的測(cè)量值l1增大，傳感器二的測(cè)量值l2相應(yīng)變小，l1+l2之和基本保持不變。在l1與l2交點(diǎn)處，傳感器一、二的測(cè)量值均為174 mm。將圖5中傳感器一、二的測(cè)量值l1、l2代入公式（7）中，得到被測(cè)車(chē)輪的直徑。

根據(jù)公式（7）仿真得到車(chē)輪橫向定位與輪徑測(cè)量結(jié)果曲線（如圖 6 所示）。由圖6可知，當(dāng)采用優(yōu)化后的輪徑測(cè)量模式測(cè)量輪徑時(shí)，可以明顯縮小由渦流傳感器引起的輪徑測(cè)量誤差。

由公式（2）可知，設(shè)輪徑D=840 mm，傳感器分辨率ΔR=2.35 μm，渦流傳感器的定位誤差為±2 mm，采用優(yōu)化后的輪徑測(cè)量模式，渦流傳感器定位不準(zhǔn)導(dǎo)致系統(tǒng)直徑測(cè)量誤差為±0.08 mm，滿(mǎn)足輪對(duì)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中輪對(duì)直徑測(cè)量精度±0.5 mm的要求。

為真實(shí)評(píng)價(jià)基于雙激光位移傳感器的輪對(duì)直徑測(cè)量系統(tǒng)精確性，需要對(duì)該輪對(duì)直徑測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的輪對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，不落輪鏇床是自動(dòng)化程度很高的機(jī)床，可以全面刻畫(huà)輪對(duì)參數(shù)，描述輪對(duì)工作狀態(tài)。本文以10個(gè)輪對(duì)為試驗(yàn)對(duì)象，使用雙激光位移傳感器直徑測(cè)量系統(tǒng)和不落輪鏇床進(jìn)行輪徑測(cè)量，數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示，數(shù)據(jù)平均相差0.06 mm，證明升級(jí)改造后的直徑測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某地鐵輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)使用現(xiàn)狀，深入分析輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中直徑測(cè)量模塊的工作原理，發(fā)現(xiàn)在直徑測(cè)量模塊中影響測(cè)量精度的因素為車(chē)輪最低點(diǎn)存在定位誤差?；诖耍疚奶岢鲈诂F(xiàn)場(chǎng)增加1組激光位移傳感器的優(yōu)化方法，該方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)效果良好，提高輪對(duì)直徑的測(cè)量精度，保障地鐵車(chē)輛安全，推動(dòng)軌道交通行業(yè)快速發(fā)展。

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